激光_电弧复合焊接技术的研究与应用_袁小川
激光-电弧复合焊接技术综述
相对于传统的Ｔ Ｉ Ｇ 焊 、Ｍ １ Ｇ ／ Ｍ Ａ Ｇ 焊等 热源 焊接而言，激光一 电弧复合焊接技术具有焊接熔 深大 、焊接速度快 、焊后变形小 、焊接热影响 区窄 、焊缝成形好 、熔池桥接能 力强 、焊接接 头性能好等特点 ，是一种可靠性高 、适应性强
的焊接工 艺方法 ；与传统单热源焊接相 比，激 光一 电弧复合焊接能够通过激光与电弧问的相互
送丝 ，所以大多数焊接过程采用旁轴 复合 ，但
是同轴复合也可以实现。Ｔ ｉ ｄ 在研究 中发现，
当电弧与激光位置完全重合时 ，激光 能量 主要 用于熔化焊丝而不是形成匙孑 Ｌ ，因此改变激光 与 电弧相对位置可增大熔深 。并且在复合焊接 时，焊接方向对接头形状会有一定程度的影响。 ４ ． ３ 激光一 等离子弧复合焊接 激光一 等离子弧复合焊接主要适用于薄板对 接、镀锌板搭接、钛合金、铝合金等高反射率和高 导热系数材料的焊接及切割、表面合金化等 。 在激光一 等离子弧复合焊接过程中 ，利用等离子
焊接时，由于等离子弧焊枪的特殊结构 ，导致它 与激光复合时的调节余地减小 ，不过大量试验结 果表明此种复合也具有很 明显的优势 ，它消除了 单一等离子弧焊接时容易出现的咬边问题 。
４ ． ４ 激光一 双Ｍｌ Ｇ电弧复合焊接
节约资源 、减少污染、降低能耗、改善汽车
性能以及车身材料的再生 ｌ 生，已经成为汽车工业
激光一 电弧复合焊接的基本原理 如 １ 所示，
量传输效率提高；同时电弧对母材进行加热 ，使 母材温度升高 ，母材对激光的吸收率提高 焊接
焊接过程中激 光束与电弧同时作用 于金属表面同
一
熔深增加。另外 ， 激光熔化金属为电弧提供 『 ｊ 南
电子 ，降低了电弧通道的电阻 ，电弧的能世利用
[电弧,激光,特点]机械激光―电弧复合焊接的技术特点及作用
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机械激光―电弧复合焊接的技术特点及作用近年来，随着激光设备和电弧设备性能的提高，机械激光-电弧复合焊接技术也成为了研究的重点，因而需要深入了解激光-电弧复合焊接技术的发展背景，总结技术特点延伸实际应用，让激光-电弧复合焊接技术在实际需求中发挥重要作用。
一、机械激光-电弧复合焊接技术的发展背景机械激光-电弧复合焊接技术是为了满足特定材料的加工焊接要求，综合利用机械激光焊接和电弧焊接的优势，将其物理性能和能量传输性能以恰当的方式融合到一起，形成的一种科学先进的技术手段。
将电弧焊接和激光焊接技术取长补短的结合起来形成的激光-电弧复合焊接技术具有经济、高效的特点，解决了许多材料的加工要求，实现了优质的焊接。
电弧焊接是应用最早且在材料技术上运用较普遍的焊接的技术，将电能转换为热能完成金属之间的连接，分为非熔化极电弧焊接和熔化极电弧焊接，但是由于电弧能力分布密度特性，导致焊接速度较慢，焊接的深度和熔度较浅，造成材料容易焊接变形，并且生产效率较低。
激光焊接可以利用高达107W/cm2的能量密度形成小孔和等离子体时的热加工，激光焊接速度比较快，材料变形较少，通过较少的热输入量形成深度比大的良好焊接效果，从而实现精密焊接。
但是也存在着一定的缺点，即焊接接头的间隙要求较高、焊接过程的稳定性和激光能量的利用率较差、焊接厚度较高的材料成本过高。
为顺应时代发展，综合焊接需求，针对电弧焊接和激光焊接的优劣，在20世纪70年代末，英国伦敦帝国大学对复合焊接工艺进行了研究，提出了电弧与激光焊接结合的工艺概念，随后英国学者和美国等科学研究者利用了激光配合一定量的辅助电弧，形成了现如今激光-电弧复合焊接的技术工艺，解决了焊接熔深浅问题和生产成本过高的问题，有效的提升了能量的利用率，提高了焊接的生产效率。
二、激光-电弧复合焊接的原理激光―电弧复合焊接技术在工作时，激光及电弧同时作用在金属表面的一点上。
在激光的作用下，焊缝的上方会产生一定的等离子体云，这种等离子体云会吸收及散射进行射入过程中的激光，从而降低了激光能量的功能。
激光-电弧复合焊接下高氮钢的焊接接头力学性能
激光-电弧复合焊接下高氮钢的焊接接头力学性能宋晓龙【摘要】采用激光-电弧复合焊接方法，获得材质为Cr18Mn18N的高氮钢板材的焊接接头。
然后，对该焊接接头分别进行拉伸、硬度和弯曲等力学性能试验。
结果表明，焊接接头的硬度和强度均高于母材，且焊接接头的弯曲试验满足ISO5173标准。
%Laser-arc hybrid welding method to obtain material forCr18Mn18N of high nitrogen steel plate welded joints, then stretching the welded joints, hardness and bending and other mechanical properties, respectively. The results showed that the hardness and strength of welded joints were higher than the base metal, and the bending test of welded joints meet ISO 5173 standards.【期刊名称】《现代制造技术与装备》【年(卷),期】2016(000)002【总页数】2页(P97-98)【关键词】激光-电弧复合焊接;高氮钢;焊接接头;力学性能【作者】宋晓龙【作者单位】长春理工大学，长春 130022【正文语种】中文近年来，受我国对不锈钢巨大需求的刺激，加上迅速发展的电镀、化工及电池等行业对原镍和再生镍需求的迅速增长，镍价一路走高。
而高氮无镍不锈钢的优异性能，使其可以广泛应用于电力、造船、铁路、低温工程、化学装备、压力容器以及石油和核工业。
但是，由于生产不锈钢所必需的原材料镍的资源有限，所以研究开发节约镍的不锈钢十分必要。
高氮无镍奥氏体不锈钢相对于传统的Cr-Ni系奥氏体不锈钢，具有节镍特点，也带来了巨大的经济效益。
钢铁材料激光-电弧复合焊接技术研究进展
51,030008(2014)激光与光电子学进展Laser&Optoelectronics Progress©2014《中国激光》杂志社钢铁材料激光-电弧复合焊接技术研究进展王晓南1陈长军2*朱广江3张敏2章顺虎11苏州大学沙钢钢铁学院,江苏苏州2150212苏州大学机电工程学院激光加工中心,江苏苏州2150213安徽工业大学材料科学与工程学院,安徽马鞍山243002摘要激光-电弧复合焊接技术是高能束焊接领域的研究热点之一，也是厚规格(厚度大于等于5mm)钢铁材料激光焊接的优选焊接方法。
系统地介绍了国内外研究学者及企业在激光-电弧复合焊接钢铁材料方面的研究进展，并简要地阐述了新型纳米强化钢（屈服强度600~700MPa级）光纤激光-电弧复合焊接方面的最新研究工作，同时对厚规格钢铁材料激光-电弧复合焊接技术的研究方向进行了分析与展望。
关键词激光技术;光学制造；激光-电弧复合焊接；钢铁；微观组织性能中图分类号TG456.7文献标识码A doi:10.3788/LOP51.030008Research Progress on Laser-Arc Hybrid Welding of Steel Wang Xiaonan1Chen Changjun2Zhu Guangjiang3Zhang Min2Zhang Shunhu1 1Shagang School of Iron and Steel,Soochow University,Suzhou,Jiangsu215021,China 2Laser Processing Research Center,School of Mechanical and Electrical Engineering,Soochow University,Suzhou,Jiangsu215021,China3School of Materials Science and Engineering,Anhui University of Technology,Ma′anshan,Anhui243002,China Abstract Laser-arc hybrid welding technology is one of the research focuses in the high-energy beam welding areas,and also the optimal welding method for heavy-gauge steel(thickness not less than5mm).This paper systematically introduces the research progress of domestic and foreign researchers and companies in the laser-arc hybrid welding of steel,and our latest research work on fiber laser-arc hybrid welding ofnew nano-scale strengthened steel(yield strength of600~700MPa)steel is briefly described.Finally,the heavy-gauge steel laser-arc hybrid welding technology research directions are analyzed and discussed.Key words laser technique;optical fabrication;laser-arc hybrid welding;steel;microstructure propertiesOCIS codes140.3390;160.3900;350.38501引言激光具有高亮度、高方向性、高单色性、高相干性及特殊的空间分布特性等优点，可获得高达1011W/cm2的聚焦功率密度，其巨大的能量集中在非常小的范围内，能迅速将材料局部升温至极高的温度，并能以较高的冷却速度进行冷却，因此激光加工技术已成为一种无与伦比的材料加工方法[1]。
激光辅助电弧焊接工艺的研究与应用
激光辅助电弧焊接工艺的研究与应用引言近年来，激光技术在工业领域的应用越来越广泛。
其中，激光辅助电弧焊接工艺因其高效、高质的特点备受关注。
本文将探讨激光辅助电弧焊接工艺的研究与应用，并分析其优势和挑战。
一、激光辅助电弧焊接工艺的原理激光辅助电弧焊接工艺是通过激光束照射到焊接区域，提高焊接区域的温度，增强电弧焊接过程中的熔深和熔池稳定性。
激光束的能量可以通过调节激光功率和焊接速度来控制，从而实现对焊接质量的精确控制。
二、激光辅助电弧焊接工艺的优势1. 提高焊接速度：激光辅助电弧焊接工艺可以通过增加焊接速度来提高焊接效率，从而减少生产周期和成本。
2. 提高焊接质量：激光束的照射可以使焊接区域的温度均匀分布，减少焊接缺陷的产生，提高焊缝的质量。
3. 减少热影响区域：激光辅助电弧焊接工艺可以集中能量在焊接区域，减少热影响区域的大小，降低对工件的热变形。
三、激光辅助电弧焊接工艺的应用1. 航空航天领域：激光辅助电弧焊接工艺可以用于焊接航空航天部件，如飞机机身、发动机部件等。
其高效、高质的特点可以提高航空器的安全性和可靠性。
2. 汽车制造领域：激光辅助电弧焊接工艺可以用于汽车制造中的焊接工艺，如车身焊接、发动机焊接等。
其快速、精确的焊接特点可以提高汽车的结构强度和安全性。
3. 石油化工领域：激光辅助电弧焊接工艺可以用于石油化工设备的焊接，如管道、储罐等。
其高效、高质的特点可以提高设备的使用寿命和安全性。
四、激光辅助电弧焊接工艺的挑战1. 设备成本高：激光辅助电弧焊接设备的价格相对较高，对于一些中小型企业来说，投资成本较大。
2. 操作技术要求高：激光辅助电弧焊接工艺需要操作人员具备较高的技术水平，对操作人员的要求较高。
3. 环境要求高：激光辅助电弧焊接工艺对工作环境的要求较高，需要保持干净、无尘的环境，以确保焊接质量。
结论激光辅助电弧焊接工艺是一种具有广阔应用前景的焊接技术。
通过对激光辅助电弧焊接工艺的研究与应用，可以提高焊接速度和质量，减少热影响区域，广泛应用于航空航天、汽车制造、石油化工等领域。
激光-电弧复合焊接技术的研究进展及应用现状
激光-电弧复合焊接技术的研究进展及应用现
状
激光-电弧复合焊接技术是一种新兴的焊接成形技术，它的出现
使焊接的效率大幅度提高，并且能够生产卓越的焊接质量，广泛应用
在苛刻的工业环境中。
激光-电弧复合焊接技术，用先进的激光焊接技术，将大功率的
激光束同电弧火焰和保护气体协同作用，以焊接高性能金属材料。
激
光-电弧复合焊技术具有低温焊接、节能效率高、焊接速度快、焊接质
量稳定等优点。
激光-电弧复合焊技术在基础研究领域，有其重要的研究进展，
如激光-电弧复合焊技术在空间条件下的应用研究，在电弧焊与激光焊
的组合应用等。
激光-电弧复合焊技术在实际应用中，应用于各种航空
航天、汽车制造、过程控制设备、智能装备、各种工程结构件的制造
等领域，已经在能源工程、石油、化工等行业取得了满意的效果。
激光-电弧复合焊技术的发展前景也非常乐观，将朝着智能化、
定制化、小批量化、大规模统一生产等目标迈进。
例如在智能化方面，运用柔性操控、智能调节和智能优化等使激光-电弧复合焊技术的智能
化的程度更上一层楼，再结合深度学习等技术，有望实现成型质量如
痕迹般可控和重复；同时，将在新材料的开发和运用上，加入特殊元
素以改善焊接性能，提升激光-电弧复合焊技术的应用效率。
总之，激光-电弧复合焊技术发展迅速，它的出现为众多苛刻环
境中的焊接尽心提供了便利。
随着技术、材料以及运用形式的不断完
善和发展，激光-电弧复合焊技术将在变革和创新中保持其领先的地位，为人类的技术进步做出更多的贡献。
先进焊接技术的研究和应用
先进焊接技术的研究和应用焊接技术一直是制造业中不可或缺的一部分，它广泛地应用于各种领域，例如航空，汽车和能源等。
随着科技的不断进步，先进焊接技术也在不断发展，为各行各业提供更加高效和可靠的焊接产品。
本文将深入探讨当前先进焊接技术的研究和应用情况。
一、先进焊接技术的介绍1.激光焊接技术激光焊接技术是现代焊接技术的代表，在高精度和高效性方面具有突出的优点。
它利用激光束产生的高温熔化和熔池形成，将两个焊件材料融合在一起。
激光焊接对于高精度的焊接操作非常适用，它可以实现微小零件的快速焊接，减少产品成本和提高生产效率。
同时激光焊接技术还具有较低的热影响区和变形率，对焊接区域的破坏性也很小，因此在航空和航天领域使用较为广泛。
2.电弧焊接技术电弧焊接技术是一种传统的焊接方式，它利用高温电流，使两个焊件之间产生弧光，通过熔化和熔池形成实现焊接。
电弧焊接技术适用于不同材料的焊接，包括金属、铝和钢等。
电弧焊接技术的优点在于实现焊接过程的可控性和精度，同时可以通过不同的电极材料和焊接条件来满足不同要求的焊接。
3.钎焊技术钎焊技术是焊接技术的一种分支，它主要利用熔点较低的金属、银、铜等伸缩合金来实现焊接。
钎焊技术在比较小的尺寸或者需要焊接不同材料的情况下非常适用。
钎焊技术的优点在于可用于不同材质之间的焊接和环保性更高，因为钎焊不会产生太多的热影响区。
二、先进焊接技术的应用1. 汽车工业随着汽车工业的发展，高强度和轻量化成为汽车焊接的主要趋势。
激光焊接技术和电弧焊接技术在汽车行业中得到广泛的应用。
例如在汽车车架中，激光焊接可以实现高精度的焊接，使车身强度更高，并且减少车身的重量，同时车身变形率也会比较小。
电弧焊接技术在汽车生产中也非常普遍，主要用于焊接底盘和引擎等地方。
2. 能源工业能源产业需要使用高强度和耐高温的材料，先进焊接技术满足了这些要求。
例如火力发电厂和核电站的焊接，需要使用焊接技术确保高强度和耐腐蚀能力。
激光焊接技术和电弧焊接技术适用于这些需要高强度和耐腐蚀的场合。
激光-电弧复合焊接技术及其应用
XX工业大学激光-电弧复合焊接技术及其应用学生：XXX学号：XXXXXX班级：XXXXXX2013年月日摘要：结合国内外激光-电弧复合焊的研究现状，概括了激光-电弧复合焊的特点、激光电弧复合方式。
介绍了激光-电弧复合焊接技术特点、阐述了此技术的原理、优势及其应用前景。
关键词：激光-电弧复合；焊接；应用激光焊接以其能量密度高、焊接速度快、变形小、熔深大和易实现自动化等优点而被广泛应用于各种结构件的焊接。
但是，与其他焊接热源一样，激光焊也有其缺点：设备投资大，能量利用率低，焊前的准备工作要求高，接头中易产生气孔、裂纹、咬边等缺陷。
为避免单独激光焊所存在的问题，激光-电弧复合焊是最好的选择。
激光-电弧复合焊将激光焊和电弧焊两种工艺相结合，取长补短发挥各自优势，不仅能获得好的焊接质量和生产效益，而且还能降低成本，实现高效、优质的焊接[1]。
0 背景及基本原理激光电弧复合焊接始于20世纪70年代末，由英国伦敦帝国大学学者W.M.Steen 首先提出，但直到最近几年，由于工业生产的需要，才逐步成为国际焊接界的关注焦点，并得到了广泛重视。
目前，作为一种新兴焊接技术，在德国、日本等发达国家已先后进入了工业化应用阶段。
激光-电弧复合焊接的原理如图1所示，激光与电弧同时作用于金属表面同一位置，焊缝上方因激光作用而产生光致等离子体云，等离子云对入射激光的吸收和散射会降低激光能量利用率，外加电弧后，低温低密度的电弧等离子体使激光致等离子体被稀释，激光能量传输效率提高；同时电弧对母材进行加热，使母材温度升高，母材对激光的吸收率提高，焊接熔深增加。
另外，激光熔化金属，为电弧提供自由电子，降低了电弧通道的电阻，电弧的能量利用率也提高，从而使总的能量利用率提高，熔深进一步增加[6]。
激光束对电弧还有聚焦、引导作用，使焊接过程中的电弧更加稳定[2]。
多年的复合热源焊接基础研究，证明了激光-电弧复合焊接热源的优势和工业应用的可行性，国内外多家研究机构和企业同时开展了专用设备的研制。
激光—MIG电弧复合焊接基础研究及应用
华中科技大学硕士学位论文激光—MIG电弧复合焊接基础研究及应用姓名：王治宇申请学位级别：硕士专业：材料加工工程指导教师：胡伦骥20060424华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文摘要激光—电弧复合焊接是一种新兴的特种激光加工技术，它将两种物理性质、能量传输机制截然不同的激光和电弧热源复合在一起，同时作用于同一加工位置，既充分发挥了两种热源各自的优势，又相互弥补了各自的不足，从而形成了一种全新高效的热源。
激光—电弧复合热源至少是一种激光热源(CO2、YAG等)与一种弧焊热源(TIG、Plasma、MIG/MAG)的组合，激光—MIG复合热源因其焊接效率高、间隙适应性好、焊缝成分和性能可控等优点正在成为工业生产中最重要的激光焊接方法之一。
本文在总结国内外激光—电弧复合热源焊接研究现状基础上，对激光—MIG复合焊接技术进行了工艺基础及应用的研究。
首先建立了CO2激光—MIG电弧旁轴复合热源系统，以普通碳钢为试材进行了堆焊试验，对焊缝的横断面几何形貌进行了测定，结果显示，复合焊较激光、电弧焊的熔深、熔宽增加，焊缝成型更美观，复合激光功率越大，作用效果越明显。
随后利用Nd:YAG激光—MIG电弧复合热源系统对激光功率、电弧功率、焊接速度、焊接方向等参数与焊缝形貌之间的关系进行了研究，讨论了激光与电弧的交互作用。
研究表明：在一定的焊接工艺条件下，激光功率主要影响复合焊缝熔深，而电弧功率主要影响熔宽，激光电弧的交互作用有利于增加熔深，却负作用于熔宽的增加；当一定功率的Nd:YAG激光与电弧热源复合时，焊缝熔深随着电弧功率的增大先增后减，熔深最大时，电弧功率与复合热源功率的比值约为0.6。
对应的其它实验结果也表明：复合热源焊接效率提高，焊前适应性好。
最后，将激光—MIG复合焊接技术应用于ZL114铝合金的焊接，成功地实现了2mm和8mm厚平板及筒体复合热源的拼焊。
关键词：激光—MIG复合焊接激光加工Nd:YAG激光电弧功率焊缝形貌铝合金华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文AbstractLaser–arc hybrid welding is a new special welding technique in laser processing, in which the laser beam and the arc act on the same molten pool, the synergistic actions of the laser and the arc were exploited, improving the welding efficiency compared with the individual processes.A descriptive term of laser–arc processes should include the laser type(i.e. CO2, Nd:YAG) and the arc welding process(TIG, Plasma, MIG/MAG), and hybrid laser–MIG welding becomes one of the most significant laser welding technologies in industry dueto its higher welding efficiency, higher tolerance to gaps between plates, and adjustment of composition and microstrcture of the weld metal.Based on summarization of the current research on hybrid welding technique, a program of experimental work was undertaken to investigate the hybrid laser–MIG welding process and its application in this paper. First a paraxial CO2 laser–MIG hybrid welding system was set up and produced bead–on–plate runs on carbon steel under different welding conditions, the weld bead shape were measured. The results show that the laser–MIG hybrid welding can increase penetration and width, improve the quality of weld bead formation compared with laser and arc welding, and the higher the laser power, the more significant the effect.Then a Nd:YAG laser–MIG hybrid welding system was used to study the relationship between hybrid welding parameters and bead geometry, the parameters like laser power, arc power, welding speed, welding direction etc greatly influenced the weld bead. Influence of interaction between laser and arc energy on bead geometry was analyzed, it was found that under stated condition the weld penetration mainly depends on the laser power and the width depends on the arc power, the reciprocity of laser and arc contributesa positive effect on penetration, but a negative effect on weld width. With a certain华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文constant power of Nd:YAG laser combined with the arc, the weld penetration went deeper at first and then reduced as the arc power increased, when penetration was in peak value, the energy ratio of arc power to hybrid power was about 0.6. Later the advantages of hybrid welding compared with laser or MAG welding alone were assessed, and a series of adaptability experiments of laser–MIG hybrid welding were carried out. The results indicate that the laser–MIG hybrid welding improves welding efficiency and owns good welding adaptability.At last, the application of laser–MIG hybrid welding on ZL114 aluminum alloy was realized on the 2–8mm thick plates and cylinders butt joints.Key words: Laser–MIG hybrid welding Laser processing Nd:YAG laser Arc power Bead geometry Aluminum alloy华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
激光-电弧复合焊接的应用
蕈 ３ 卷 第２ ６ 期 ２０ ０ ６年 ２月
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激 光一 弧 复 合 焊 接 的 应 用 电
王治宇 ， 明 ， 王春 胡伦骥 。 胡席远
（ 中 科技 大 学 材 料 学 院 ， 北 武 汉 ４ ０ ７ ｝ 华 湖 ３０ ４
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１ 基 本 原 理 及 提 出 背 景
聚焦激光束由于具有高的热源密度 ， 使其应用 于焊接领域具有 速度高 、 线能量 小 、 变形 ， ， 】 热影响 、 区窄以及接头综合性能好等一系列优点。 但是． 和其 他焊接热源一样 ． 激光 也有其缺点 ： 设备投 资大； 能 量利用率低 ； 前的准备 １作要 求高 ； 焊 ： 高反射 金属 焊接 困难 ， 接头 中容易 产生 气孔 、 裂纹 、 咬边 等缺
激光一 电弧复合焊接始于 ２ 世纪 ７ 年代末． ０ ０ 由 萸国伦敦帝 国大学学者 ＭＳ ｅｔ ．ｅｎ 首先提 出， ｔ Ｕ 但直到 最近几年 ． 由于工业生产的需要 ． 才逐 步成为国际焊 接界的关注焦点 ， 井得到 ｒ 广泛重视。 目前 ， 为一种 作 新兴焊接技 术 ， 、 在德 日本等发达 国家已先后 进
激光-电弧复合焊接技术的研究进展及应用现状
激光-电弧复合焊接技术的研究进展及应用现状
赵耀邦;成群林;徐爱杰;张小龙;欧阳自鹏
【期刊名称】《航天制造技术》
【年(卷),期】2014(000)004
【摘要】对激光-电弧复合焊接技术的研究进展及应用现状进行了全面地梳理和总结。
综述了激光-电弧复合焊接技术的内涵及特点、工艺及机理的国内外研究进展，介绍了工程化的激光-电弧复合焊接头以及激光-电弧复合焊接技术在船舶、油气管道、高速列车、航天等领域的工程化应用情况。
【总页数】4页(P11-14)
【作者】赵耀邦;成群林;徐爱杰;张小龙;欧阳自鹏
【作者单位】上海航天精密机械研究所，上海201600;上海航天精密机械研究所，上海201600;上海航天精密机械研究所，上海201600;上海航天精密机械研究所，上海 201600;上海航天精密机械研究所，上海 201600
【正文语种】中文
【相关文献】
1.激光-电弧复合焊接技术与应用现状 [J], 崔琳珠;杨炎川;
2.激光及激光+电弧复合热源焊接技术的研究与应用 [J], 王旭友;王威;秦国梁;雷振
3.激光-电弧复合焊接技术在油箱焊接中的应用分析 [J], 冯和永;李宏伟;孙虎;高金
良
4.激光-电弧复合焊接技术国内研究现状及典型应用 [J], 雷振;徐良;徐富家;杨海锋;
王旭友
5.高强度管线钢激光电弧复合焊接技术研究现状解析 [J], 梁超
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激光_电弧复合焊接的研究进展
第35卷 第11期中 国 激 光Vol.35,No.112008年11月CHIN ES E J OURNAL OF LAS ERSNovember ,2008 文章编号:025827025(2008)1121680206激光2电弧复合焊接的研究进展肖荣诗 吴世凯(北京工业大学激光工程研究院,北京,100124)摘要 激光2电弧复合焊技术是一种具有较好工业应用前景的新技术,目前已经引起了国内外研究人员的重视。
激光2电弧复合焊接将两种物理性质和能量传输机制截然不同的热源复合在一起,实现优势互补,提高焊接效率和质量。
结合作者的研究工作,概括了激光2电弧复合焊接中激光与电弧相互作用、熔滴过渡特性、小孔和熔池动态行为、复合焊接工艺技术及应用等方面的最新研究进展。
关键词 激光技术;复合焊;基础问题;工业应用中图分类号 T G 456.7 文献标识码 A doi :10.3788/CJL20083511.1680Progress on Laser 2Arc H ybrid WeldingXiao Rongshi Wu Shikai(I nstitute of L aser Engineering ,B ei j ing Universit y of Technology ,B ei j ing 100124,China )Abstract Laser 2arc hybrid welding is a promising technology which can be widely used in industry and it attractsattention of the researchers bining two heat sources with different physical properties and energy transmission mechanisms together ,laser 2arc hybrid welding possesses the composite advantages of laser welding and arc welding.Some aspects on laser 2arc hybrid welding such as the laser 2arc interaction ,droplet transfer characteristics ,dynamic behaviors of the keyhole and the weld pool ,hybrid welding processes and their applications are reviewed.K ey w ords laser technology ;hybrid welding ;foundational problems ;industry applications 收稿日期:2008209216;收到修改稿日期:2008210210 基金项目:北京市教委科技发展计划重点项目(KZ200710005003)资助课题。
激光-电弧复合焊工艺研究
2.1.1
就目前而言，由于激光焊接的成本仍然较高，因此以激光为核心的复合热源焊接技术孕育而生。激光电弧复合热源焊接技术是1976年首次提出的，几十年来，人们从未停止过对激光复合热源焊接技术的研究。但是研究最多，应用最广的还是激光电弧复合热源焊接技术，它的主要目的是有效地应用电弧热源，以减小激光的应用成本、降低激光焊接的装配精度。激光与电弧联合应用进行焊接有两种方式：一种是沿焊接方向，激光与电弧间距较大，前后串联排布，两者作为独立的热源作用于工件，主要是利用电弧热源对焊缝金属进行预热或后热，达到提高吸收率、改善焊缝组织性能的目的。另外一种方式是激光与电弧共同作用于熔池，焊接过程中，激光与电弧之间存在相互作用和能量的耦合，也就是我们通常所说的激光电弧复合热源焊接。
近年来，随着电弧焊设备和激光器性能的提高，激光-电弧复合焊技术的发展口新月异，已成为激光焊接研究的热点。本文结合国内外激光-电弧复合焊的研究现状，概括了激光-电弧复合焊的特点、激光电弧复合方式、激光与电弧的相互作用、激光-电弧复合焊成型、激光-电弧工艺的研究以及激光-电弧复合焊缺陷的研究反馈复合焊工艺的不足。
本文结合科学家的研究工作，概括了激光-电弧复合焊的产生与发展、激光-电弧复合焊的特点、激光-电弧符合焊接机理与模拟数值的研究现状。并着重介绍了激光-电弧复合焊的工艺研究。对焊接的熔滴过渡形式、激光功率、焊接速度等工艺参数进行了研究。
关键词：激光-电弧复合焊，工艺研究，工业应用，焊接缺陷
Abstract
3.2.1工艺参数与熔滴过渡8
3.2.2接头形式的选择9
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0前言20世纪70年代末，英国学者W M Steen 等率先利用TIG 和CO 2激光实现了激光-电弧复合焊。
近年来，随着电弧焊设备和激光器性能的提高，激光-电弧复合焊技术的发展日益加速，激光－电弧复合焊已成为激光焊接研究的热点方向，德国、美国、日本和瑞典等国家都在该领域做了大量的研究实践工作。
激光-电弧复合焊的应用研究主要是针对高速薄板焊接、中厚钢板焊接和铜铝合金等高反射材料的焊接等，涉及的行业包括汽车、造船、航空和石油管道等。
1激光-电弧复合焊接的提出背景、基本原理和复合形式聚焦激光束由于具有高的热源密度，使其应用于焊接领域具有速度高、热输入小、变形小、热影响区窄以及接头综合性能好等一系列优点。
但是，与其他焊接热源一样，激光焊也有其缺点：设备投资大；能量利用率低；焊前的准备工作要求高；高反射金属焊接困难，接头中容易产生气孔、裂纹、咬边等缺陷。
为避免单独激光焊接所存在的问题，研究者便提出了激光与电弧的复合，其出发点是利用电弧焊接的低成本、适用范围宽等特点。
随后的研究成果表明，激光－电弧复合热源既综合了上述2种焊接热源的优点，又相互弥补了各自的不足，还产生了额外的能量协同效应。
激光－电弧复合焊接的原理如图1所示，激光与电弧同时作用于金属表面同一位置，焊缝上方因激光作用而产生光致等离子体云，等离子云对入射激光的吸收和散射会降低激光能量利用率，外加电弧后，低温低密度的电弧等离子体使激光致等离子体被稀释，激光能量传输效率提高；同时电弧对母材进行加热，使母材温度升高，母材对激光的吸收率提高，焊接熔深增加。
另外，激光熔化金属为电弧提供自由电子，降低了电弧通道的电阻，电弧的能量利用率也提高，从而使总的能量利用率提高，熔深进一步增加。
激光束对电弧还有聚焦、引导作用，使焊接过程中的电弧更加稳定。
在复合焊中，参与复合的激光包括Nd ：YAG （钕：钇铝石榴石）激光、CO 2激光；电弧包括TIG电弧、MIG /MAG 电弧以及等离子弧，利用各种复合收稿日期：2009-12-09文章编号：1002－025X (2010)05-0002-06激光－电弧复合焊接技术的研究与应用袁小川1，赵虎2，王平平2（1.山东中德设备有限公司，山东济南250101；2.山东省冶金地质水文勘察公司，山东济南250101）摘要：阐述了激光－电弧复合焊接的基本原理和复合形式，归纳了几种激光－电弧复合焊接技术的特点、应用范围和国内外的研究进展，介绍了目前国内外激光－电弧复合焊接技术在汽车、造船、石油化工等制造业中的应用，最后指出激光－电弧复合焊接技术有着非常广泛的应用前景，是今后激光焊接技术的发展趋势，激光－电弧复合焊接机理还有待于进一步研究。
关键词：激光－电弧复合焊接；复合形式；研究进展；工业应用中图分类号：TG444.73文献标志码：B形式焊接所得结果也不尽相同。
同时根据激光、电弧在焊接时的空间位置不同，可将其分为旁轴和同轴两大类，如图2所示。
与目前常用的旁轴激光－电弧复合焊相比，激光－电弧同轴复合可以在工件表面提供对称热源，焊接质量不受焊接方向影响而适于三维焊接。
具体的复合形式简述如下：（1）激光－TIG复合焊接它是早期的一种复合焊形式，主要用于薄板金属的焊接，尤其适合于焊接高热导率的金属。
可以明显提高焊接速度，改善单一TIG焊接时效率低的状况。
此后，20世纪90年代又出现了激光与TIG同轴焊接，这种焊接方法无方向性，焊接过程比较稳定，焊接速度也大大提高。
而且，焊接过程中匙孔直径可以达到单一YAG焊接时的1．5倍，这非常有利于气体的逸出，可以减少焊缝中的气孔。
（2）激光－MIG/MAG复合焊接这种复合焊接技术灵活性较强，适合于中厚板以及铝合金等难焊金属的焊接。
熔敷金属的加入可以改善焊缝的微观组织，提高接头的综合力学性能。
电弧的引入有助于提高间隙搭桥能力，降低了单一激光焊接时坡口制备的精度要求。
激光前置时可以使引弧容易，并且在合适的参数下可以改变熔滴过渡方式，使得焊接过程更加稳定，减少了单一MIG/MAG焊时的飞溅量和焊后处理的工作量。
激光－MIG/MAG旁轴复合易于实现，而同轴复合则难以实现。
（3）激光－双电弧复合焊接由德国亚琛大学焊接研究所（ISF）的研究人员开发激光－双MIG复合焊（Hybrid Welding With Double Arc简称HyDRA），适合于中厚板以及铝合金、镁合金、双相钢等难焊金属的焊接。
试验结果表明，在无间隙接头焊接时，激光－双电弧复合热源的焊接速度比一般的激光－MIG 电弧复合热源提高33％，单位长度的能量输入减少25％，间隙裕度可达2mm，且焊接过程非常稳定，远远超过激光－MI G电弧复合热源的焊接能力，而且可以更好地实现自动化焊接。
（4）激光－等离子弧复合焊接它具有刚性好、温度高、方向性强、电弧引燃性好、加热区窄等优点，适用于薄板对接、镀锌板搭接、钛合金、铝合金等高反射率和高热导率材料的焊接及切割、表面合金化等。
2激光－电弧复合焊接技术的研究进展2．1激光－TIG电弧复合焊接技术德国J Wendelftorf等人对激光－TIG电弧进行了研究，激光束采用0．1～1kW的低功率激光电源，激光集中于工件表面的电弧根部，试验证明能够明显提高低电流和弧长较长时间的电弧稳定性，可以最大限度地增加焊接速度与焊接熔透［1］。
例如，当CO2激光功率为0．8kW，TIG电弧的电流为90A，焊接速度为2m/min时，可相当5kW的CO2激光焊机的焊接能力；当5kW的CO2激光束与300A的TIG电弧复合，焊接速度为0．5～5m/min时，获得的熔深是单独使用5kW激光束焊接时的0．3～2．0倍。
阿亨大学弗朗和费激光技术学院研制了一种激光双弧复合焊接，与激光单电弧复合焊相比，焊接速度可提高约1/3，热输入减小25％。
G den Ouden［2］等人利用500W的小功率Nd：YAG激光与TIG电弧进行复合，研究了激光-电弧之间的相互作用，发现激光可使电弧的引燃电压降低到原来的1/20，这是由于激光产生的等离子体包括金属原子、电子以及正离子，当施加电压时，电子向阳极运动，正离子向阴极运动，激发了阴极的热发射。
为了系统地研究CO2激光与TIG电弧复合热源焊接技术，日本学者Naito Yasuaki在2006年先后发表了4篇相关论文［3－6］。
对含微量S元素的304不锈钢板进行了焊接，首先研究了复合焊接中熔透特征以及电弧与等离子云的行为，发现激光在TIG 电弧产生熔池后照射熔池区域时焊缝熔深增大；当电弧电流为200A时，复合焊接方法所得焊缝的气孔比单一激光焊时的少；利用CCD照相机和高速摄像机观察了电弧等离子体和激光诱导等离子云的行为。
其次研究了环境气体对熔透几何尺寸的影响，发现随着环境气体氧含量的增多，复合焊接方法所得焊缝“钉头”部分消失。
此外，还对复合焊接中的电弧进行测量，结果发现，电弧等离子体被压缩在匙孔入口处而没有进入匙孔内部，这对解释复合焊接时的焊接现象以及产生熔深更大的焊缝奠定了基础。
最后阐明了熔透特性、气孔的抑制机理和熔池的流动行为：在Ar 保护气环境中，表面张力诱导对流产生焊缝的“钉头”，从而使焊缝呈酒杯状；电流极大地影响了熔体流动和匙孔行为，当电流为100A时，匙孔顶部向后方接近孔底处有强烈的熔体流动，这就增加了焊缝熔深；当电流为200A时，气孔减少。
天津大学对激光－TIG的作用机理进行了研究，认为在高速焊接条件下，激光－TIG焊可以得到稳定电弧、增加熔透、改善焊缝成形、获得优质焊接接头。
北京航空航天大学以铝合金为主要研究对象，研究激光与复合热源焊接铝合金的工艺特点，设计制造了双焦点激光－电弧复合焊接接头，讨论了影响复合焊接的各工艺参数［7］。
结果表明：影响复合焊接过程的主要工艺参数有激光功率、焊接速度、焊接电流、激光焦点位置以及两热源之间的距离等，并且在比较宽的参数范围内CO2激光与TIG电弧复合焊接铝合金焊缝成形美观、无气孔等缺陷，焊速显著提高。
华中科技大学为了研究CO2激光－TIG电弧复合焊接工艺，采用Rofin Sinar5kW快轴流CO2激光器和Miller钨极惰性气体（TIG）焊机，对3mm 厚316L不锈钢研究了激光功率、焊接电流、热源间距等工艺参数对焊缝成形的影响规律［8］。
在激光功率>2．5kW时，会产生小孔效应，其对复合焊缝熔深影响显著；而当焊接电流<150A时，焊缝熔宽与两热源的热输入关系密切，当电流>150A时，仅焊接电流是焊缝熔宽的决定性因素；热源间距存在一个最佳值2～3mm，此时，焊缝熔深可提高1．46～2．5倍。
高明等人认为保护气体组成及其保护方式是决定CO2激光－钨极氩弧焊（TIG）电弧复合焊接工艺稳定性和激光、电弧2种热源能否有效耦合并取得增强的焊缝熔深的关键原因。
为此，采用不同的气体保护方式在316L不锈钢板上进行了一系列CO2激光－TIG电弧复合焊接试验［9］。
结果表明，只有在合理的气体保护方式下才能取得增强的焊接结果，其中气体保护方式对激光等离子体和电弧等离子体相互作用程度的影响是决定能否有效耦合的关键因素。
高明等人还为了提高激光－电弧复合焊接的可靠性，对复合焊接咬边缺陷成形机理及抑制方法进行了研究［10］。
结果表明，激光能够提高复合焊接的临界咬边速度，最高可达电弧焊接的5倍。
在激光－电弧相互作用下，复合焊接存在2种抑制咬边的机理，一种是改变焊趾处固、液、气三相的表面张力状况，形成指向熔池外部的合力；另一种是通过提高熔池内温度梯度和热输入来增加熔池内由内向外的流动速度和时间，使熔化金属能够流向并填充焊趾，这种抑制机理作用更为显著。
试验确定了复合焊接临界咬边速度的经验公式和电弧电压的合理调节范围。
2．2激光－MIG/MAG电弧复合焊接技术日本四国工业技术研究所在对激光－MIG焊接进行研究时，发现激光束焦点置于熔池最深处，电弧力将熔化金属排开，形成表面下陷低坑，以获得最大熔深。
日本东芝公司用6kW的CO2激光与7．5kW 的MIG电弧复合，在选择合适的焊接电流、保护气体等参数时，以700mm/min的速度，可以焊透16 mm厚的不锈钢板，焊缝的放射线检查结果可达RT1级［11］。
文献［12］中报道了在比较宽的参数范围内，用YAG激光脉冲MIG复合焊接铝合金，焊缝成形美观，无气孔等缺陷，熔深比激光焊增加4倍，比脉冲MIG焊接增加1倍以上，焊速显著提高。
日本三菱重工有限公司研制出了YAG激光与电弧同轴复合焊接系统。
德国的ISF焊接研究所成功研制激光－双MIG复合焊。
在零间隙时，HyDRA的焊接速度与激光-单电弧复合相比，能够提高33％。
与目前常用的旁轴激光－电弧复合焊相比，激光－电弧同轴复合可以在工件表面提供对称热源，焊接质量不受焊接方向影响而适于三维焊接。